농형 유도 모터에 대한 Evs 드라이브 수요

복잡한 브러시 구조 없이 안정적인 전력을 공급하는 전기 자동차 내에서 조용히 뛰는 매우 효율적인 "심장"을 상상해 보십시오. 이것은 산업 응용 분야와 전기 자동차 모두에서 널리 사용되는 AC 모터인 SCIM(농형 유도 모터)입니다. 그렇다면 이 모터를 독특하게 만드는 것은 무엇이며, 어떤 도전과 기회에 직면하고 있습니까?

개요

농형 유도 모터는 정현파 전압과 전류로 구동되는 브러시리스 AC 모터입니다. 간단한 구조, 저렴한 비용, 높은 신뢰성, 내구성, 최소한의 토크 리플, 낮은 유지 관리 요구 사항 및 열악한 환경에서 작동할 수 있는 능력 덕분에 산업용 응용 분야 및 전기 추진 시스템에 이상적입니다.

전기 자동차 애플리케이션

SCIM은 승용차, 버스, 소형 트럭을 포함하여 상용화된 여러 배터리 전기 자동차(BEV)에 구현되었습니다. 주목할만한 예로는 Tesla S-2014, Tazzari Zero, Mercedes-Benz B-Class Electric Drive, Mahindra e2o 및 Toyota RAV4 EV가 있습니다. 또한 Smith Electric Vehicles의 Newton 경량 전기 트럭의 첫 번째 버전과 Optare Solo EV 배터리 전기 버스도 3상 SCIM을 사용합니다.

작동 원리 및 구조적 특징

비동기식 모터인 SCIM은 고정자 권선에 의해 생성된 회전 자기장 속도와 회전자 속도의 차이로 작동합니다. 상대적으로 단순한 구조로 인해 다른 모터 유형에 비해 설계 및 제조 공정이 단순화됩니다. 영구 자석 모터와 달리 SCIM은 보다 저렴한 재료를 사용합니다. 3상 SCIM이 가장 일반적이지만 전력 밀도를 개선하고 토크 리플 및 위상당 전류를 줄이기 위해 더 높은 위상 번호를 가진 모터가 개발 중입니다.

회전자에는 고정자의 회전 자기장에 의해 회전자 전류가 유도되는 주조 알루미늄 농형 케이지가 포함되어 있습니다. 이 자기장과 회전자 전류의 자기장 사이의 상호 작용은 전자기 토크를 생성합니다. 로터 바 및 엔드 링에 알루미늄 대신 구리를 사용하면 효율성을 높일 수 있습니다.

성능 제한 및 개선 조치

SCIM에는 어려운 저속 제어, 경부하 시 낮은 역률, 높은 시동 전류, 상대적으로 낮은 효율, 열악한 인버터 활용도 등의 고유한 단점이 있습니다. 무부하 조건에서도 자화 전류는 구리 손실과 전자 변환기 정격을 증가시킵니다. 적절한 제어 기술을 사용하면 낮은 시동 전류를 유지하면서 최대 시동 토크를 달성할 수 있습니다.

허브 모터 애플리케이션의 경우 SCIM은 외부 케이지 로터를 사용하여 에어 갭 직경과 출력 토크를 늘릴 수 있습니다. 특히 SCIM은 다른 모터 유형에 비해 토크 밀도와 효율성이 낮기 때문에 공간 제약이 있는 하이브리드 또는 플러그인 하이브리드 차량보다 BEV에 더 적합합니다. 최대 속도는 일반적으로 10,000rpm으로 제한되지만, 약화계자 기술을 사용하면 정전력 범위를 기본 속도의 4~5배까지 확장할 수 있습니다. 이는 전기 자동차의 중요한 요구 사항입니다.

제어 기술

현재 다양한 속도 및 토크 제어 기술이 사용됩니다. 가장 간단한 것은 스칼라 제어로, 전압 크기와 주파수를 조정하지만 과도 성능은 제한됩니다. 과도 응답성 향상을 위해 FOC(Field-Oriented Control), DTC(Direct Torque Control) 등이 구현되고 있으며, 속도/위치 센서를 제거한 센서리스 제어 방식이 주목받고 있다.

영구 자석 모터

영구 자석 브러시리스 모터는 브러시리스 DC(BLDC)와 브러시리스 AC(영구 자석 동기 모터 또는 PMSM)의 두 가지 범주로 분류됩니다. 둘 다 영구 자석 회전자를 갖추고 있지만 고정자 권선 배열이 다릅니다. BLDC 모터는 일반적으로 직사각형 위상 전류로 구동되는 사다리꼴 역기전력이 있는 사다리꼴 권선을 사용합니다. 이를 통해 회전당 6번 감지된 위치 피드백을 사용하는 간단한 제어 방법이 가능합니다.

PMSM은 권선 회전자 동기 모터에서 발전하여 브러시/슬립 링 여자 권선을 영구 자석으로 대체했습니다. 고정자는 유도 모터와 유사하며 정현파 전류에 의해 구동되는 정현파 역기전력을 생성하는 정현파 권선이 있습니다. 이러한 차이는 모터 동작 및 제어 알고리즘에 큰 영향을 미치므로 PMSM은 EV 견인 시스템에 더 적합합니다.

영구 자석 모터 설계

대부분의 PMSM은 방사상 자속 설계를 사용하지만 축 자속 구성은 특히 허브 모터 응용 분야에서 특정 전력 범위에 대한 토크 대 관성 비율 및 전력 밀도에 이점을 제공합니다. 희토류 자석은 우수한 자기 특성으로 인해 EV 추진 시스템을 지배하지만, 고효율 PMSM은 더 낮은 자석 등급으로 설계될 수 있습니다.

희토류 PMSM은 높은 전력/토크 밀도, 동기 속도 작동, 고효율, 정밀한 토크 제어 및 유지 관리가 필요 없는 작동을 포함한 매력적인 특성을 제공합니다. 그러나 제한 사항에는 제한된 계자 약화 기능(특히 표면 장착형 PMSM), 기계적 충격, 고온 또는 단락 효과로 인한 자기소거 위험이 포함되어 있어 안전 및 내결함성이 중요한 문제가 됩니다.

스위치드 릴럭턴스 모터

SRM(스위치 릴럭턴스 모터)은 이중 돌출 구조를 갖춘 브러시리스 기계입니다. 회전자와 고정자 모두 돌출된 극을 가지고 있습니다. 고정자에는 DC 모터와 유사한 집중 권선이 포함되어 있고 회전자에는 권선이나 자석이 없습니다. 로터 동작은 전자 제어를 통해 고정자 극에 순차적으로 전원을 공급하여 유지됩니다.

SRM은 복잡하지 않은 로터 구조로 인해 단순성, 저렴한 비용 및 제조 용이성을 제공합니다. 이 제품은 고온 성능, 낮은 로터 관성, 높은 시동 토크 및 빠른 가속과 함께 기어리스 EV 드라이브에 이상적인 확장된 정전력 속도 범위(최대 7:1)를 제공합니다. 그러나 본질적인 한계에는 상당한 토크 리플, 진동, 소음, 높은 비선형성으로 인한 복잡한 제어, 높은 철 손실로 인한 효율성 저하 등이 있습니다.

자속 스위칭 모터

FSM(자속 전환 모터)은 견인 응용 분야를 위해 연구 중인 두 배로 중요한 브러시리스 기계입니다. 고정자에는 DC 여자 권선과 AC 전기자 권선(일반적으로 3상)이 모두 포함되어 있어 SRM에 비해 진동/소음이 줄어듭니다. 로터의 단순성으로 인해 FSM은 고속 작동에 견고합니다.

FSM 변형에는 권선 여자(WFFSM), 영구 자석(PMFSM) 및 하이브리드 여자(HEFSM) 유형이 포함됩니다. PMFSM은 제한된 정전력 속도 범위를 보이는 반면, WFFSM은 DC 권선 제어를 통해 이 점에서 탁월합니다. 매력적인 FSM 기능에는 구조적 단순성, 높은 공극 자속 밀도(높은 전력/토크 밀도 제공) 및 열악한 환경에 대한 견고성이 포함됩니다. 단점은 더 높은 구리 손실과 고유한 토크 리플을 포함합니다.

동기식 릴럭턴스 모터

동기식 릴럭턴스 모터(SynRM)는 3상 AC 전원을 통해 동기식으로 작동합니다. 도체나 자석이 포함되지 않은 적층 로터는 로터 손실을 최소화합니다. 토크는 자기저항으로부터만 파생되며 최적의 성능을 위해서는 높은 돌출비(Ld/Lq)가 필요합니다. 다중 자속 장벽 회전자 설계는 직교 축 자속을 차단하면서 자속을 안내합니다.

SynRM은 유도 모터에 비해 제조 단순성과 경쟁력 있는 역률/인버터 요구 사항을 제공하지만 효율과 토크 밀도에서는 PMSM에 뒤처집니다. 세심한 자속 장벽 설계로 토크 리플 문제를 완화할 수 있습니다. 현재 몇몇 제조업체는 EV 애플리케이션용으로 개발된 최신 프로토타입과 함께 산업용 등급 SynRM을 제공하고 있습니다.

영구 자석 보조 동기식 릴럭턴스 모터

SynRM 로터에 자석을 삽입하면 EV 드라이브에 유망한 후보인 PMa-SynRM이 생성됩니다. 내부 PMSM과 마찬가지로 이 기계는 회전자 자속 장벽에 페라이트 자석을 내장하여 돌출비를 높입니다. 자석의 극성은 직교축 자속을 상쇄하여 Lq를 최소화하고 Ld/Lq 비율을 최대화하여 자기 저항 토크(정렬 토크보다 지배적임)를 향상시킵니다.

PMa-SynRM은 PM과 릴럭턴스 모터의 장점인 고효율, 밀도, 역률 및 속도 범위를 결합합니다. 희토류 자석 대신 저가형 페라이트를 사용하면 비용/공급 문제를 해결하는 동시에 자기소거 위험과 역기전력을 줄일 수 있습니다. 로터 설계는 내장된 페라이트를 위한 다층 캐비티를 사용하여 자기 돌출성을 최적화합니다. 아직 EV에서는 상용화되지 않았지만 페라이트 기반 PMa-SynRM 프로토타입에 대한 개발 노력이 계속되고 있습니다.

모터 성능 비교

모터 유형(SRM, WFFSM, PMFSM, PMa-SynRM, PMSM 및 SCIM)을 평가할 때 모든 지표에서 다른 후보보다 확실히 뛰어난 단일 후보는 없습니다. 주요 고려 사항에는 토크 리플, 소음/진동, 제조 가능성, 견고성, 내결함성, 정전력 범위 및 제어 복잡성이 포함됩니다. 특정 애플리케이션 요구 사항을 최적의 모터 특성과 일치시키려면 포괄적인 분석이 필요합니다.